一流學(xué)科建設(shè)背景下土木工程實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革對(duì)策研究

徐偉杰, 徐 明, 郭 彤， 宗周紅, 劉 艷

(東南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

國(guó)務(wù)院2015年11月印發(fā)了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》,為我國(guó)建成高等教育強(qiáng)國(guó)明確了任務(wù)和路徑。作為高?？蒲?、教學(xué)和對(duì)外服務(wù)重要場(chǎng)所的實(shí)驗(yàn)室,在“雙一流”建設(shè)中的作用得到了廣泛關(guān)注,實(shí)驗(yàn)室為“雙一流”建設(shè)提供支撐的觀點(diǎn)得以確立[1-4]。在“雙一流”建設(shè)中,需要以學(xué)科建設(shè)為基礎(chǔ),優(yōu)化學(xué)科結(jié)構(gòu)、凝練學(xué)科發(fā)展方向、突出學(xué)科建設(shè)重點(diǎn)、創(chuàng)新學(xué)科組織模式、打造更多學(xué)科高峰。培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才是“雙一流”建設(shè)的主要任務(wù),要突出人才培養(yǎng)的核心地位,著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會(huì)責(zé)任心,富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才。然而,不同學(xué)科有不同的特點(diǎn),各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室功能和管理方法各不相同,很難有適用于所有學(xué)科人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革方案[5]。本文針對(duì)土木工程學(xué)科,從實(shí)驗(yàn)室支撐一流學(xué)科人才培養(yǎng)的必要性和面臨問題入手,提出了教學(xué)改革的具體對(duì)策。

1 實(shí)驗(yàn)室對(duì)土木工程一流學(xué)科建設(shè)的必要性

土木工程學(xué)科具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性,相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課對(duì)實(shí)踐教學(xué)要求較高,與其他學(xué)科相比,實(shí)驗(yàn)室對(duì)土木工程專業(yè)的發(fā)展有著無(wú)可替代的作用。高校土木工程學(xué)科的教學(xué)水平,往往可以直接從實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)情況反映出來(lái)。

1.1 實(shí)驗(yàn)室直接承擔(dān)土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)

對(duì)于土木工程專業(yè),學(xué)生在課堂學(xué)到的知識(shí),必須通過實(shí)驗(yàn)才能真正掌握。部分課程除了課堂教學(xué)外,本身還安排了實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí),如“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”中的混凝土梁受彎承載力實(shí)驗(yàn),只有通過實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生才能真正了解梁在不同荷載作用下的變形和破壞情況,將課堂上學(xué)到的知識(shí)融會(huì)貫通。類似的課程還有“工程力學(xué)”“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”“土力學(xué)”“水力學(xué)”和“結(jié)構(gòu)檢測(cè)”等。還有部分土木工程專業(yè)課程,盡管本身不設(shè)置實(shí)驗(yàn)部分,但是實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生加深對(duì)課程的了解,如“大跨空間結(jié)構(gòu)”“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”等。因此,實(shí)驗(yàn)室直接承擔(dān)著土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)任務(wù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)室能夠提高土木工程人才綜合能力

除了教學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)室還開展針對(duì)學(xué)生的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)從構(gòu)件的設(shè)計(jì)、加載方案的確定、實(shí)驗(yàn)加載和結(jié)果分析等一整套流程完成時(shí),可以有效提高學(xué)生的科研能力。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生需要親自動(dòng)手解決實(shí)驗(yàn)過程中的問題,有效地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。土木工程領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)往往需要多人合作完成,因此通過實(shí)驗(yàn)可以有效提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生需要與指導(dǎo)教師、實(shí)驗(yàn)室教師、工人及其他學(xué)生進(jìn)行溝通,可極大地提高學(xué)生的溝通能力。而上述的科研能力、動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)和與人溝通能力等都很難通過課堂教學(xué)獲得。

1.3 實(shí)驗(yàn)室有助于培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)意識(shí)

土木工程專業(yè)所針對(duì)的建筑物與生活密切相關(guān),很大一部分土木工程專業(yè)的學(xué)生都會(huì)進(jìn)入土木工程施工單位和設(shè)計(jì)單位。由設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)不合格或施工單位施工不合格而導(dǎo)致的建筑物破壞,往往會(huì)造成巨大的人員、財(cái)產(chǎn)傷亡。此外,土木工程專業(yè)學(xué)生必須具有足夠的社會(huì)擔(dān)當(dāng),來(lái)考慮地震、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等自然災(zāi)害對(duì)建筑物的影響。通過在實(shí)驗(yàn)室觀察建筑結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài),可以使學(xué)生牢記土木工程學(xué)科的使命。可以說,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室觀察到建筑結(jié)構(gòu)破壞瞬間的感受遠(yuǎn)比課堂教學(xué)深刻得多。

2 實(shí)驗(yàn)室支撐土木工程一流學(xué)科人才培養(yǎng)面臨的問題

2.1 教學(xué)資源有限

土木工程學(xué)科具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性,相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課對(duì)實(shí)踐教學(xué)要求較高。然而,土木工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)對(duì)象往往是大體量的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,制作安裝成本較高,且需要較大的實(shí)驗(yàn)空間,因此在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中往往需要分組,同一組實(shí)驗(yàn)需要若干名甚至幾十名學(xué)生同時(shí)操作,弱化了學(xué)生通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)掌握相關(guān)知識(shí)的效果。此外,進(jìn)行土木工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)往往需要相應(yīng)的設(shè)備儀器,如土力學(xué)的三軸實(shí)驗(yàn)機(jī),結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)中的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備等,如果缺乏必要的教學(xué)設(shè)備,實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)則無(wú)法完成。因此,在土木工程一流學(xué)科建設(shè)中,實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源的有限性是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的不利因素。

2.2 教學(xué)理念落后

土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念落后主要體現(xiàn)在教學(xué)手段和教學(xué)對(duì)象上。目前土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往是將一整班的學(xué)生集中到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這雖然可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力,但也存在實(shí)驗(yàn)成本高、時(shí)間不靈活、存在安全隱患等問題。隨著土木工程技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段已經(jīng)很難滿足學(xué)生對(duì)先進(jìn)土木工程技術(shù)的實(shí)踐需求。此外,目前土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的對(duì)象往往僅限于本校土木工程專業(yè)的本科生,實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源無(wú)法共享,實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源的有限性進(jìn)一步凸顯。

2.3 教學(xué)人才缺乏

實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)上面臨的問題歸根結(jié)底還是人的問題,即土木工程實(shí)驗(yàn)室沒有開展各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)的充足人才。土木工程實(shí)驗(yàn)室與其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)室相比,對(duì)人才的要求更高。首先,土木工程實(shí)驗(yàn)是勞動(dòng)密集型實(shí)驗(yàn),在構(gòu)件的安裝和拆卸過程中,必須要由專業(yè)的施工團(tuán)隊(duì)配合完成,包括電焊工、吊車工和裝卸工等。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中,大型加載設(shè)備和部分教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,如地震模擬振動(dòng)臺(tái)、MTS伺服加載系統(tǒng)等需要專職人員操作。實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集人員、現(xiàn)象觀測(cè)人員等,也需要具備相應(yīng)的知識(shí)和水平。此外,新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)不僅對(duì)相關(guān)人員的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ休^高要求,還對(duì)科研能力有較高要求。因此,在人員編制有限的情況下,土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能采用一對(duì)多的形式,即一個(gè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師同時(shí)指導(dǎo)多名甚至多組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)室支撐土木工程一流學(xué)科建設(shè)的對(duì)策

3.1 改進(jìn)教學(xué)方式,重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前土木工程教學(xué)主要以課堂教學(xué)為主,部分課程采用課堂教學(xué)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式。然而,由于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和器材限制,大規(guī)模的實(shí)體實(shí)驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。但隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步,基于數(shù)值模擬技術(shù)的土木工程虛擬仿真手段,在本專業(yè)的工程實(shí)踐應(yīng)用和本學(xué)科的科學(xué)研究應(yīng)用中,發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。因此,可以采用計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)或課堂教學(xué)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式改為“課堂教學(xué)+虛擬仿真教學(xué)”和“課堂教學(xué)+虛擬仿真教學(xué)+實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的模式,通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)課堂教學(xué)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足[6-7]。

土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的來(lái)源主要有3個(gè),分別是實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真、數(shù)值模擬的虛擬仿真和實(shí)際工程的虛擬仿真。實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真主要針對(duì)構(gòu)件層次,即實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬再現(xiàn),如混凝土梁柱的受壓、受彎等。通過實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),每個(gè)學(xué)生都可以參與實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程,并且可以通過修改參數(shù),觀察到實(shí)體實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,從而成為實(shí)體教學(xué)的有效補(bǔ)充。數(shù)值模擬的虛擬仿真往往針對(duì)結(jié)構(gòu)層次,如結(jié)構(gòu)隔、減震實(shí)驗(yàn)等。這種類型的實(shí)體實(shí)驗(yàn)往往很難在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)和重復(fù),通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解,有效彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。實(shí)際工程的虛擬仿真是將整個(gè)工程從開始施工到最終完成完全虛擬化,使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合,提高學(xué)生的綜合能力。因此,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)室提高土木工程學(xué)科教學(xué)能力的重要舉措,有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

3.2 進(jìn)行教學(xué)資源共享,積極舉辦科普活動(dòng)

教學(xué)資源共享是解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限問題的重要途徑,尤其是當(dāng)虛擬仿真教學(xué)形成體系后,通過互聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享[8-9]。通過教學(xué)資源共享,各個(gè)學(xué)?？梢猿浞职l(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)和特色,擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源影響力,提高教學(xué)資源的利用率,最終提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。此外,土木工程實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)積極舉辦科普活動(dòng),主動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)外共享,普及土木工程相關(guān)知識(shí),提高全社會(huì)土木工程防震減災(zāi)意識(shí),如防災(zāi)科技學(xué)院的災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)室和東南大學(xué)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽[10-11]。

3.3 完善人才梯隊(duì)建設(shè)

作為土木工程實(shí)驗(yàn)室的工作人員,應(yīng)具備3個(gè)依次提升的層次要求。首先,應(yīng)具備職業(yè)道德、法律意識(shí)和良好的身體素質(zhì)。其次,應(yīng)具備專業(yè)技能和服務(wù)意識(shí)。土木工程實(shí)驗(yàn)室的核心職責(zé)是完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn),只有具備專業(yè)技能和服務(wù)意識(shí),才能真正地履行職責(zé)。最后,還應(yīng)具備創(chuàng)新能力和溝通能力,從而能夠面對(duì)一流學(xué)科建設(shè)中出現(xiàn)的新問題。其中,第1層次人員主要為中級(jí)以下職稱,即以勞務(wù)合同形式聘請(qǐng)一定數(shù)量的熟練工人,協(xié)助完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科研實(shí)驗(yàn)任務(wù)。第2層次人員主要為中級(jí)和副高職稱,是實(shí)驗(yàn)室的骨干人員,主要負(fù)責(zé)完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科研實(shí)驗(yàn)及大部分對(duì)外服務(wù)任務(wù)。第3層次主要為副高和正高職稱,主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)籌規(guī)劃[12]。